|
آب سنگين به يكي از شكلهاي نادر آب به نام دوتریم اكسايد(D2O) گفته ميشود كه در آن به جاي دو اتم هيدروژن معمولي(H)، دو اتم هيدروژن سنگين(D)، يعني هيدروژني كه دو نوترون دارد، نشسته است. با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی بين اكسیژن هیدروژن در آب تغییر میكند و در نتیجه ويژگيهاي فیزیكی و زیستشناختی آب دگرگون میشود. آب سنگين در نيروگاههاي هستهاي براي كاستن از سرعت نوترونها و همچنين، پژوهشهاي زيستشناختي و مهار بيماريهاي مانند سرطان و ايدز كاربرد دارد. توليد اين ماده پر كاربرد از سال 1385 در ايران آغاز شده است.
تفاوت در نوترون
آب خالص مادهای است بیرنگ، بیبو و بيمزه. فرمول شیمیایی آن H2O است، یعنی هر مولكول آب از پيوند دو اتم هیدروژن به یك اتم اكسیژن ساخته شده است. عنصر هیدروژن همانند بسیاری دیگر از عنصرهای طبیعت ایزوتوپهایی دارد كه عبارتند از H ۲ كه با D (دوتریم) و H ۳ كه با T (تریتیم) نمایش داده ميشود. ایزوتوپ به صورتهای گوناگون یك عنصر گفته میشود كه جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد. تفاوت ایزوتوپهای مختلف یك عنصر از شمار نوترونهای هسته آنها ناشي ميشود؛ يعني با وجودي كه شمار پروتونهای همهي اتمهای یك عنصر از جمله ایزوتوپهاي آن با هم برابر است، شمار نوترونها در ايزوتوپهاي مختلف يك عنصر متفاوت است. از همين رو، هیدروژن معمولي(H) در هستهي خود فقط یك پروتون دارد و بدون نوترون است؛ دوتریم(D) كه در هسته خود یك پروتون و یك نوترون دارد و تریتیم(T) كه یك پروتون و دو نوترون دارد.
بيشتر هیدروژنهای طبیعت از نوع H یا هیدروژن معمولی است و فقط ۰۱۵۰/0 درصد آن را دوتریم تشكیل میدهد، یعنی از هر ۶۴۰۰ اتم هیدروژن، یكی دوتریم است. اكنون در نظر بگیرید كه به جای یك اتم هیدروژن معمولی در مولكول آب(H2O) اتم D بنشیند. آن گاه مولكول HDO به وجود میآید كه به آن آب نیمهسنگین میگویند. اگر جای هر دو اتم هیدروژن، دوتریم بنشیند، D2O به وجود میآید كه به آن آب سنگین میگویند. ويژگيهاي فیزیكی آب سنگین تا اندازهاي با آب سبك یا آب معمولی تفاوت دارد. با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی بين اكسیژن هیدروژن در آب تغییر میكند و در نتیجه ويژگيهاي فیزیكی و زیستشناختی آب دگرگون میشود.
تولید آب سنگین
در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولكول آب یكی آب نیمهسنگین HDO است. آب نیمه سنگین را میتوان با روشهایی مانند تقطیر یا الكترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی به دست آورد. هنگامی كه مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر میشود، زیرا مولكولهای آب هیدروژنهای خود را با یكدیگر عوض میكنند و احتمال دارد كه از دو مولكول HDO یك مولكول H2O (آب معمولی) و یك مولكول D2O (آب سنگین) به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص به روش یا الكترولیز به دستگاههای پیچیده تقطیر و الكترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روشهای شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده میكنند.
كاربرد های آب سنگین
آب سنگین را بيشتر به دليل كاربرد آن در نيروگاههاي هستهاي مي شناسند. اما اين ماده در پژوهشهای علمی در رشتههاي زیستشناسی، پزشكی، فیزیك و شيمي و مهندسي كاربردهای فراوانی دارد. كه در زیر به چند مورد آن اشاره می شود.
1. طیفسنجی تشدید مغناطیسی هسته. در طیفسنجی تشدید مغناطیسی هسته(NMR) هنگامی كه هسته مورد نظر پژوهشگر، هیدروژن و حلال هم آب باشد، از آب سنگین استفاده میكنند. در این حالت چون سیگنالهای اتم هیدروژن مورد نظر با سیگنالهای اتم هیدروژن آب معمولی تداخل میكند، میتوان از آب سنگین بهره گرفت، زیرا ويژگيهاي مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد و سیگنال دوتریم با سیگنال هیدروژن تداخل نمیكند.
2. كند كننده نوترون. آب سنگین در برخي از رآكتورهای هستهای به عنوان كندكننده سرعت نوترون به كار میرود. نوترونهای كند میتوانند با اورانیوم واكنش بدهند. از آب سبك یا آب معمولی هم میتوان به عنوان كند كننده استفاده كرد، اما از آنجا كه آب سبك نوترونهای حرارتی را هم جذب میكند، در رآكتورهای آب سبك باید اورانیوم غنی شده(اورانیوم با خلوص زیاد) را به كار برد، اما رآكتور آب سنگین میتواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده كند. بنابراين، تولید آب سنگین به بحثهای مربوط به جلوگیری از گسترش سلاحهای هستهای مربوط ميشود.
3. آشكار سازی نوترینو. رصدخانه نوترینوی سادبری در انتاریوی كانادا از هزار تن آب سنگین استفاده میكند. آشكارساز نوترینو در ژرفاي زمین و در دل یك معدن قدیمی كار گذاشته شده تا مئونهای پرتوهای كیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است كه آیا نوترینوهای الكترون كه از همجوشی در خورشید تولید میشوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوها تبدیل میشوند یا خیر. وجود آب سنگین در این آزمایشها ضروری است، زیرا دوتریم مورد نیاز برای آشكارسازی انواع نوترینوها را فراهم میكند.
4. آزمونهای سوخت و ساز در بدن. از مخلوط آب سنگین با ۱۸OH2 (آبی كه اكسیژن آن ایزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O) برای انجام آزمایش اندازهگیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و جانوران بهره ميگيرند. این آزمون سوخت و ساز را " آزمون آب دوبار نشاندار"مینامند.
5. تولید تریتیم. هنگامی كه دوتریم رآكتور آب سنگین یك نوترون به دست میآورد به تریتیم، ایزوتوپ دیگر هیدروژن تبدیل میشود. تولید تریتیم به این روش به فناوری چندان پیچیدهای نیاز ندارد و آسانتر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ۶ است. تریتیم در ساخت نیروگاههای گرما هستهای كاربرد دارد.
آب سنگين و بمب اتم
رآكتورهای آب سنگین را میتوان به گونهای ساخت كه بدون نیاز به دستگاههاي غنیسازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل كند. كشورهای هند، اسرائیل، پاكستان، كره شمالی، روسیه و آمریكا از رآكتورهای تولید آب سنگین برای ساختن بمب اتمی استفاده كردند. با توجه به امكان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هستهای، در بسیاری از كشورها دولت بر تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را به شدن نظارت ميكند. با وجود اين، در كشورهایی مثل آمریكا و كانادا میتوان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و كیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولیدكنندگان یا فروشندگان مواد شیمیایی به دست آورد. هم اكنون قیمت هر كیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹8/۹۹ درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است.
تاريخ آب سنگین
والتر راسل در سال ۱۹۲۶ به كمك جدول تناوبی مارپیچ وجود دوتریم را پیشبینی كرد. سپس، در سال ۱۹۳۱ هارولد یوری از دانشگاه كلمبیا آن را كشف كرد. گیلبرت نیوتن لوئیس در سال ۱۹۳۳ توانست نخستين نمونه از آب سنگین خالص را با روش الكترولیز تهیه كند. هوسی و هافر در سال ۱۹۳۴ از آب سنگین استفاده كردند و با انجام نخستين آزمونهای ردیابی زیستشناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.
در چهارم شهریور 1385، مجتمع آب سنگین اراك، یكی از بزرگترین طرحهای هستهای ايران، كار خود را آغاز كرد. كار ساخت آن از سال 1377 در شمال غربی اراك و نزدیك نیروگاه ۴۰ مگاواتی آب سنگین اراك آغاز شده بود. ظرفیت تولید این مجتمع در آغاز هشت تن بود و اكنون به ۱۶ تن آبسنگین با غنای ۸/8۹ درصد رسیده است. |
